TREBALL FI DE CARRERA -...

PROJECTE FI DE CARRERA

TÍTOL: Optimización de los Tratamientos Térmicos T5 y T6 para una Aleación

A356 Conformada por SLC

AUTOR: David Fresno Abad

TITULACIÓ: Enginyeria Tècnica Industrial, especialitat mecànica

DIRECTOR: Enric Martín Fuentes

DEPARTAMENT: Ciència dels Materials i Enginyeria Metal·lúrgica

DATA: Juliol 2007

TÍTOL: Optimización de los Tratamientos Térmicos T5 y T6 para una Aleación A356 Conformada por SLC

COGNOMS: Fresno Abad NOM: David TITULACIÓ: Enginyeria Tècnica Industrial ESPECIALITAT: Mecànica PLA: 95

DIRECTOR: Enric Martín DEPARTAMENT: Ciència dels Materials i Enginyeria Metal·lúrgica

QUALIFICACIÓ DEL PFC

TRIBUNAL

PRESIDENT SECRETARI VOCAL

DATA DE LECTURA:

Aquest Projecte té en compte aspectes mediambientals: Sí No

PROJECTE FI DE CARRERA RESUM (màxim 50 línies)

La gran competencia que hay en el sector de la automoción y aeronàutica obliga a las industrias

a producir nuevos componentes de aluminio con mejores propiedades mecánicas, menos

defectos y encontrar fórmulas para reducir los costes de producción, esto se ha conseguido con

las técnicas de conformación en semisólido.

Los componentes conformados con estas técnicas pueden ver mejoradas sus propiedades

mecánicas mediante tratamientos térmicos. Un tratamiento térmico es un proceso industrial de

mejora de propiedades mediante el control de las temperaturas, los tiempos de permanencia y

las velocidades de enfriamiento.

El presente proyecto trata de optimizar los tratamientos térmicos T6 y T5 para una aleación de

aluminio A356 conformada por Sub Liquidus Casting. Consiste en encontrar las temperaturas y

tiempos mínimos necesarios para proporcionar a la aleación las mayores propiedades

mecánicas.

Para el estudio se ha utilizado una aleación de aluminio A356 conformada por la técnica del Sub

Liquidus Casting. La optimización se ha basado en la obtención de las curvas Dureza- Tiempo

en la etapa de envejecimiento.

Para la optimización del tratamiento térmico T6 se han estudiado 12 condiciones diferentes de

temperaturas y tiempos. Se han seleccionado dos temperaturas de puesta en solución (540º C y

545º C), durante 4 y 5 horas, y tres temperaturas de envejecimiento (160º C, 170º C y 180º C),

con tiempos de envejecimiento de hasta 8 horas.

Para la optimización del tratamiento térmico T5 el estudio se ha realizado tratamientos a 160º C

y 170º C, hasta las 12 horas de envejecimiento.

Una vez encontradas las temperaturas y tiempos óptimos se realiza los ensayos de tracción sobre

probetas tratadas con los tratamientos térmicos óptimos para evaluar el efecto que tiene sobre

las propiedades mecánicas.

Paraules clau (màxim

Aleación de aluminio Sub Liquidus Casting Tratamiento térmico Propiedades mecánicas

Endurecimiento por precipitación

Optimización Dureza Brinell SSM

Sumario Página

Resumen ………………………………………………………………………………………… 3

Sumario

1. Aluminio y sus aleaciones ………………………………………………. 9

1.1. Propiedades de las aleaciones de aluminio ……………….. 9

1.1.1. Propiedades físicas ………………………………………………. 9

1.1.2. Propiedades mecánicas ……………………………………………… 9

1.1.3. Aptitudes para la conformación ………………………… 10

1.2. Aleaciones de aluminio ……………………………………………… 10

1.2.1. Aleaciones para forja ……………………………………………… 10

1.2.2. Aleaciones de moldeo ……………………………………………… 10

1.2.1.1. Grupo Al-Si-Mg …………………………………… 10

1.2.3. Efecto de los elementos aleantes ………………………… 11

1.2.3.1. Magnesio ……………………………………………… 12

1.2.3.2. Cobre ………………………………………………………… 12

1.2.3.3. Silicio ………………………………………………………… 12

1.2.3.4. Manganeso ……………………………………………… 12

2. Conformación en Estado Semisólido ………………………… 12

2.1. Introducción …………………………………………………………………… 12

2.2. Antecedentes …………………………………………………………………… 13

2.3. Aspectos teóricos ………………………………………………………… 14

2.3.1. Propiedades tixotrópicas …………………………………… 14

2.3.2. Velocidad de agitación aplicada ………………………… 14

2.3.3. Obtención de lingotes no dendríticos ………………………… 15

2.4. Procesos SSM ………………………………………………………… 16

2.4.1. Sub Liquidus Casting ……………………………………………… 16

2.4.1.1. Tamaño de grano de la aleación ........................ 17

2.4.1.2. Control de la temperatura de la aleación ……. 18

2.4.1.3. Enfriamiento de la aleación en el

conducto de inyección ……………………………………. 18

2.4.1.4. Fluidez necesaria de la mezcla en la coquilla ……. 19

2.4.1.5. Tiempo para desarrollar la mezcla ………………. 19

2.4.1.6. Características y ventajas del proceso SLC ……. 19

3. Tratamientos térmicos ……………………………………………………… 20

3.1. Designaciones de los tratamientos térmicos ……………… 21

3.2. Tratamiento térmico T6 ……………………………………………… 22

3.2.1. Puesta en solución ……………………………………………… 23

3.2.1.1. Temperatura de puesta en solución ……………… 24

3.2.1.2. Tiempo de solubilización ………………………… 24

3.2.2. Temple …………………………………………………………………… 24

3.2.3. Envejecimiento ………………………………………………………… 24

3.1.3.1. Envejecimiento artificial ………………………… 24

3.3. Tratamiento térmico T5 ……………………………………………... 25

4. Ensayos ……………………………………………………………………………… 26

4.1. Ensayo de dureza Brinell ……………………………………………… 26

4.2. Ensayo de tracción ………………………………………………………… 26

5. Procedimiento Experimental ……………………………………………… 29

5.1. Introducción …………………………………………………………………… 29

5.2. Material utilizado ………………………………………………………… 30

5.2.1. Preparación de las muestras de dureza ………………. 30

5.2.2. Preparación de las muestras de tracción ………............. 32

5.3. Tratamientos Térmicos ……………………………………………… 34

5.4. Ensayos de dureza Brinell ……………………………………………… 34

5.5. Ensayos de tracción ……………………………………………… 35

6. Resultados ……………………………………………………………………………… 36

6.1. Optimización tratamientos térmicos ………………………… 36

6.1.1. Optimización del tratamiento térmico T6 ……………… 37

6.1.2. Optimización del tratamiento térmico T5 ……………… 46

6.2. Ensayo de tracción ………………………………………………………… 48

7. Conclusiones ……………………………………………………………………………… 50 8. Presupuesto ……………………………………………………………………………… 51

9. Estudio medioambiental ………………………………………………………… 52

10. Índice de Tablas y Figuras ………………………………………………………… 53

11. Bibliografía ……………………………………………………………………………… 56

11.1. Bibliografía complementaria ……………………………………. 58

9

1. Aluminio y sus aleaciones El aluminio es uno de los materiales más abundantes de la tierra, constituye aproximadamente el 8% de

su corteza ocupando el tercer lugar en abundancia y sólo el silicio y el oxígeno lo superan.

El aluminio y sus aleaciones son materiales que destacan por su ligereza y resistencia a la corrosión, así

como por su elevada conductividad térmica y eléctrica. Las propiedades mecánicas del aluminio puro

son bastante moderadas, pero aleado con otros elementos las mejora notablemente. Si se comparan la

resistencia o la rigidez específica (en relación con la densidad) las aleaciones de aluminio son más

ventajosos que los aceros en determinadas aplicaciones (aeronáutica, vehículos, piezas a grandes

aceleraciones). Estas cualidades, junto con la gran aptitud para la conformación (deformación en frío,

forja, moldeo, extrusión, mecanizado), han convertido a las aleaciones de aluminio en el segundo grupo

de materiales metálicos más empleados. [1]

1.1. Propiedades de las aleaciones de aluminio El aluminio tiene una estructura cúbica centrada en las caras y es dúctil incluso a temperatura ambiente.

La resistencia mecánica del aluminio se logra por acritud y por aleación; sin embargo ambos procesos

disminuyen la resistencia a la corrosión. Los principales elementos de aleación son cobre, magnesio,

silicio, manganeso y zinc. Algunas de las aplicaciones más comunes de las aleaciones de aluminio son:

partes estructurales de los aviones, latas para bebidas refrescantes, partes de las carrocerías de

autobuses y de los automóviles (culatas, pistones y colectores de escape).

El aluminio genera de forma natural una capa de óxido que lo hace muy resistente a la corrosión. Los

diferentes tipos de tratamiento de revestimiento pueden mejorar aún más esta resistencia. Resulta

especialmente útil para aquellos productos que requieren de protección y conservación.

1.1.1. Propiedades físicas

El aluminio y sus aleaciones se caracterizan por la relativamente baja densidad (2,7 Mg·m

-3),

aproximadamente 1/3 de la de los aceros; conductividad térmica elevada (80 ÷ 230 W·m-1

·K-1

), cosa

beneficiosa en piezas que deben conducir o disipar calor; conductividad eléctrica elevada (resistividad

28 ÷ 60 nΩ·m); calor específico elevado (865 ÷ 905 J·kg-1

·K-1

); dilatación térmica elevada (20 ÷ 25

μm·m-1

·K-1

). El aluminio es un buen reflector tanto de la luz como del calor. [2]

1.1.2. Propiedades mecánicas

A temperatura ambiente, la resistencia a la tracción (150 ÷ 450 MPa), el límite elástico (100 ÷ 300

MPa) y el módulo de elasticidad (69 ÷ 73 GPa) son moderados, y las durezas algo bajas, en general no

adecuadas para soportar grandes presiones superficiales; la resistencia a la fatiga es aceptable (sin un

límite de fatiga definido) y la resiliencia es normalmente elevada excepto para las aleaciones de

aluminio más resistentes (Al-Cu y Al-Zn). La resistencia mecánica decrece rápidamente con la

temperatura, a partir de 100 ÷ 150º C según las aleaciones, la fluencia comienza a manifestarse de

forma acusada y disminuyen considerablemente las propiedades mecánicas (resistencia a la tracción,

límite elástico y dureza) y, a partir de 350º C la resistencia sólo se mantiene en valores residuales; en el

intervalo 200 ÷ 300º C, el mejor comportamiento mecánico se halla en los grupos Al-Cu y Al-Mg. En

cambio, a bajas temperaturas las propiedades son excelentes, la resistencia aumenta y la resiliencia, el

límite elástico y el alargamiento se mantienen hasta temperaturas operativas de –195º C. [2]

10

1.1.3. Aptitudes para la conformación

La baja temperatura de fusión (520 ÷ 650º C) facilita el moldeo de piezas complicadas ya sea en molde

de arena, coquilla o por inyección obteniéndose piezas de gran precisión dimensional). La elevada

ductilidad facilita la conformación de productos o piezas por deformación plástica, (en frío y en

caliente), a través de la laminación (chapas y barras), la forja o la extrusión (perfiles, eventualmente

vacíos, de formas complejas difíciles de obtener con otros materiales). La gran maquinabilidad a altas

velocidades de las aleaciones de aluminio proporciona una elevada productividad, un abaratamiento de

los costes y un ahorro de energía.

1.2. Aleaciones de aluminio Como con otros metales, se hace distinción entre las aleaciones de forja (incluyen los de extrusión y

laminación), por un lado, y las de moldeo, por otro.

1.2.1. Aleaciones para forja

Las aleaciones para forja se conforman por deformación plástica y tienen composiciones i

microestructuras significativamente diferentes a las utilizadas en molde. Estas diferencias en las

composiciones reflejan las diferentes necesidades de los dos procesos de fabricación. Dentro de cada

grupo se pueden subdividir en tratables térmicamente y no tratables térmicamente.

1.2.2. Aleaciones de moldeo

Las cualidades que se esperan de los aluminios de moldeo son una buena colabilidad (aptitud para

llenar correctamente la cavidad de un molde), una contracción relativamente pequeña y la no formación

de fisuras en la contracción causa de la fragilidad. Las temperaturas de fusión relativamente bajas de las

aleaciones de aluminio permiten utilizar, además de moldes de arena, moldes metálicos (coquillas),

donde el material se introduce o bien por gravedad o bien por presión (moldeo a baja presión y moldeo

por inyección). Este último proceso, que exige un molde específico para cada pieza y una máquina de

inyectar muy caros, permite obtener piezas de una elevada precisión dimensional y excelentes acabados

superficiales que requieren poca o nula mecanización posterior, por lo cual es muy utilizado en la

fabricación de piezas complejas de grandes series (bombas de gasolina, carburadores, planchas

domésticas).

Las aleaciones de aluminio para moldeo más importantes son las de la familia Al-Si.

1.2.2.1. Grupo Al-Si-Mg

Con la adición de pequeños porcentajes de Mg, las aleaciones Al-Si se convierten en bonificables, y

consiguen valores de resistencia y dureza considerablemente mayores y mejoran la maquinabilidad. El

tratamiento térmico tiene lugar sobre la pieza moldeada antes de ser mecanizada. Una de las

representantes principales de esta familia es la EN AC-AlSi10Mg, utilizada en motores y máquinas. La

aleación EN AC-AlSi7Mg es más resistente y de mejor maquinabilidad a costa de una menor facilidad

de moldeo.

11

En la Figura 1.1 se observa el diagrama de equilibrio para una aleación Al-MgSi.

Figura 1.1. Diagrama de equilibrio Al-MgSi.

Las aleaciones de aluminio A356 están compuestas básicamente por Si (6,5-7,5%) y Mg (0,2-0,6%) y

se corresponde con la EN AC-AlSi7Mg. Son aleaciones comunes de fundición, con buenas

características de colada y buenas propiedades mecánicas, aceptable maquinabilidad y con

posibilidades de ser tratadas térmicamente.

El Si se adiciona a las aleaciones de fundición para mejorar las condiciones de colada. El límite elástico

y la resistencia a tracción se ven poco afectados con el incremento de silicio, pero la ductilidad del

material decrece al aumentar el porcentaje de fase eutéctica. [2]

El Mg se adiciona para producir la formación de precipitados coherentes precursor del componente

ínter metálico Mg2Si. El grado de endurecimiento depende de la cantidad de elementos endurecedores

en solución sólida y de su forma de precipitación.

El Fe reacciona con el Al, Si y Mg para formar intermetálicos insolubles que actúan en detrimento de la

resistencia y la ductilidad del material. La cantidad de Mg disponible para el endurecimiento por

envejecimiento decrece con la precipitación de intermetálicos de Fe.

La composición química de la aleación de aluminio A356, se presenta en la Tabla 1.1.

Tabla 1.1. Composición química de la aleación A356, en % en peso. [23]

Si Fe Cu Mn Mg Zn Al

6.5-7.5 0.2 máx. 0.2 máx. 0.1 máx. 0.25-0.45 0.1 máx. Restante

1.2.3. Efecto de los elementos aleantes

Los elementos aleantes que encontramos en la composición de las aleaciones de aluminio de forja o de

moldeo están en grupos muy diversos. Podemos distinguir tres categorías: [23]

12

a) Elementos de adición más elevada como el cobre, magnesio, manganeso, silicio y zinc, donde su

composición varía en % en cada aleación.

b) Elementos de adición inferior, el contenido de éstos no supera nunca el 1 %, como puede ser el

cromo,

hierro, zirconio, níquel y cobalto.

c) Elementos de adición especial, normalmente no superan el 0,5 % y se destinan para aleaciones con

uso particular, estos elementos son el antimonio, berilio, plomo, estaño y la plata.

A continuación se citaran algunas características de los elementos aleantes que forman parte de la

composición de la aleación en estudio.

1.2.3.1. Magnesio

Es la causa principal del endurecimiento y la ductilidad de las aleaciones de aluminio sometidos a

tratamientos térmicos, y se utiliza en aleaciones más complejas las cuales también contienen cobre, níquel y

otros elementos con el mismo propósito.

1.2.3.2. Cobre

El cobre aumenta la dureza y la ductilidad en piezas de fundición tratadas o no térmicamente. Reduce la

resistencia a la corrosión en algunas composiciones i condiciones específicas del material.

1.2.3.3. Silicio

Es un elemento presente en las aleaciones de fundición, ya que aporta un aumento en la fluidez del material

además de proporcionarle una elevada capacidad de colabilidad.

1.2.3.4. Manganeso

Se considera como una impureza en las aleaciones de fundición, y se controla en niveles bajos en muchas

composiciones de moldeo por gravedad.

2. Conformación en Estado Semisólido

2.1. Introducción

La conformación de las aleaciones de aluminio en estado líquido se ha llevado a cabo tradicionalmente

por los procesos de colada por gravedad o mediante inyección. Estas técnicas de procesado en estado

líquido tienen el inconveniente de la formación de microporosidad o porosidad, debido al régimen

turbulento en el llenado del molde, al gas disuelto y a la contracción en la solidificación. Estos defectos

fragilizan el material y reducen las propiedades mecánicas, que tampoco pueden mejorarse por

tratamientos térmicos debido a la aparición de ampollas. A causa de estos inconvenientes la fundición

inyectada no se ha utilizado para la obtención de piezas con prestaciones mecánicas mejoradas y su

campo de aplicación se ve limitado.

13

Los nuevos procesos de conformación en estado semisólido (SSM) permiten superar estas limitaciones

y abren nuevas perspectivas a la producción de componentes de aluminio con mejores propiedades

mecánicas y a costes próximos a los de la fundición inyectada. Estas ventajas se deben a que en estos

procesos la inyección es a baja temperatura, sin turbulencias, y con una mayor uniformidad en las

condiciones de enfriamiento.

El conformado de materiales en estado semisólido puede considerarse como un proceso intermedio

entre la conformación por moldeo y la conformación en estado sólido. Ello permite libertad en el diseño

del molde y en la velocidad de producción de la fundición así como una calidad metalúrgica y unas

propiedades mecánicas superiores a las de la fundición inyectada. El interés de estas técnicas radica en

la necesidad de producir nuevos componentes con menos defectos y a un coste inferior, y se

fundamenta en las propiedades reológicas de los materiales cuando coexisten una fase líquida y una

fase sólida esferoidal. [1]

Las ventajas de los productos conformados en estado semisólido son:

-productos de excepcional calidad, con una porosidad inferior al 0,1%.

-buena combinación de resistencia mecánica y ductilidad.

-buenas tolerancias dimensionales, paredes delgadas y buen acabado superficial.

-bajas temperaturas durante el proceso, cortos ciclos de tiempo y menores tensiones en los utillajes.

-aptitud para utilizar aleaciones inusuales que tienen dificultades en procesos de conformación en

estado líquido.

-pueden ser tratadas térmicamente. [3]

2.2. Antecedentes Los principios para la aplicación industrial del conformado en estado semisólido [4] [5] fueron

expuestos por primera vez por M.C. Fleming y D.B. Spencer en 1972 [5]. Se descubre, este proceso en

el Massachussets Institute of Technology (MIT), durante el estudio del desgarro en caliente o “hot

tearing”. La clave del conformado en estado semisólido está en el comportamiento del flujo de material

que contiene partículas sólidas de forma no dendrítica.

Se observó que la viscosidad de la aleación disminuía con la agitación y se atribuyó a la estructura

globular producida durante el experimento. Es decir, la viscosidad disminuye al aumentar las fuerzas de

cizalla que actúan sobre el material, con lo que se comporta, prácticamente, como un sólido en

ausencia de estas fuerzas de cizalla, y puede entonces manipularse fácilmente [5].

No es hasta 1990 cuando la industria tomó conciencia de las potenciales ventajas que podían ofrecer

estas tecnologías.

Posteriormente Joly y otros [8] publicaron un estudio sobre la reología de las aleaciones parcialmente

solidificadas. Mostraron que la viscosidad era muy sensible a la velocidad de enfriamiento, además de a

la velocidad de cizalladura: bajas velocidades de enfriamiento y altas velocidades de cizalladura hacen

disminuir la viscosidad para una fracción de sólido dada.

El comportamiento tixotrópico se caracteriza porque la viscosidad depende también del tiempo de

aplicación de la fuerza cortante τ. Así un lingote en este estado mantiene su forma y puede al mismo

tiempo ser cortado con un cuchillo, tal y como se muestra en la Figura 2.1.

14

Figura 2.1. Corte de un lingote de rheocasting. [1]

El proceso de conformado en estado semisólido de materiales puede dividirse en dos tipos. Cuando la

aleación sometida a velocidades de cizalladura es conformada directamente para obtener una pieza o un

lingote se denomina Rheocasting. Como consecuencia de la reversibilidad de las propiedades

tixotrópicas adquiridas por la aleación, el lingote de Rheocasting puede calentarse a la temperatura

adecuada y recuperar las características tixotrópicas.

Por lo tanto una aleación solidificada con estructura no dendrítica (de Rheocasting) puede calentarse

hasta la temperatura de estado semisólido y conformarse mediante un proceso de forja (Thixoforging) o

inyección (Thixocasting).

En los últimos años, se han desarrollado nuevas tecnologías de conformado en estado semisólido

(SSM): New Rheocasting, Sub Liquidus Casting, etc.

2.3. Aspectos teóricos

2.3.1. Propiedades tixotrópicas

La tixotropía es la característica según la cual un fluido viscoelástico disminuye su viscosidad aparente

al ser agitado violentamente hasta alcanzar un estado estacionario después de un tiempo de agitación

[4]. Esto implica una disminución de la viscosidad o de la tensión de cortadura con el tiempo,

produciéndose ésta bajo condiciones isotérmicas y velocidades de cortadura estacionaria [9].

2.3.3. Velocidad de agitación aplicada

La viscosidad es también función de la velocidad de enfriamiento, es decir, mínimas velocidades de

enfriamiento y elevados niveles de cortadura hacen que la viscosidad disminuya para una determinada

fracción sólida. Sin embargo, si al preparar los productos semisólidos se aumenta la velocidad de

cortadura, se obtienen menores viscosidades [4].

La microestructura de las aleaciones sometidas a agitación durante su solidificación está controlada por

cuatro variables [4].

15

• Velocidad de enfriamiento.

• Velocidad de cortadura.

• Tiempo de aplicación de la cortadura.

• Porcentaje de fase sólida a cada temperatura.

El paso de la estructura dendrítica a una forma globular se atribuye a tres mecanismos que se comentan

en el apartado siguiente. Se produce una fragmentación de la estructura dendrítica seguida de una

morfología de tipo roseta como resultado de la coalescencia, cortadura y abrasión entre las partículas de

la fase sólida y finaliza con una estructura globular (Figura 2.2).

Figura 2.2. Evolución microestructural.

2.3.4. Obtención de lingotes no dendríticos

Para que las aleaciones a conformar tengan propiedades tixotrópicas es necesario que el material tenga

una estructura de solidificación globular, y no una estructura dendrítica típica de los procesos de

solidificación.

La forma de obtener una estructura globular consiste, básicamente, en agitar el material durante la

solidificación del mismo, de forma que se rompan las dendritas de solidificación.

El procedimiento original, con el que se descubrió la tixotropía, fue la agitación mecánica de la

aleación en estado semisólido durante su enfriamiento, este método presenta ciertas dificultades: así,

por ejemplo, aleaciones con elevado punto de fusión pueden ser muy agresivas, tanto química como

mecánicamente, para el agitador o el crisol que las contiene.

Debido a esto se han buscado posibles procesos alternativos, algunos de los cuales se citan a

continuación. [21]

1.- Agitación mecánica o electromagnética, o tratamiento intensivo mediante vibraciones supersónicas

durante la solidificación.

2.- Refusión parcial de aleaciones deformadas u obtenidas por “spray

compaction”.

3.- Enfriamiento controlado durante el proceso de solidificación (NRC, SLC,…)

16

Figura 2.3. Métodos de obtención de estructuras no dendríticas por agitación del líquido: a) agitación mecánica del líquido, b) agitación mecánica y proceso continuo, c) agitación electromagnética y proceso continuo (MHD, SSP) [1].

Los métodos del segundo tipo tienen altos costes de producción y, además, durante el recalentamiento

se produce el crecimiento de grano. Por otra parte, el método supersónico tiene el inconveniente de

producir un mayor tamaño de grano. Por todo ello, los métodos de agitación electromagnética (Magneto

Hidrodinamic Stirring y Single Slug Production) han sido los más utilizados en la fabricación de

lingotes para Thixoforming [1].

También se pueden producir estructuras no dendríticas a partir del líquido sin agitación. En algunos

sistemas, los afinadores de grano adicionados antes de la colada (por ejemplo, titanio-boro en las

aleaciones aluminio-silicio), pueden ser potentes supresores del crecimiento de las dendritas y, al

recalentar estas aleaciones al estado semisólido, se genera un material thixotrópico. Esto ha sido

investigado por numerosos autores. Aunque se han producido algunas estructuras en aleaciones de

aluminio usando grandes cantidades de afinadores, parece ser que hay dificultad en obtener tamaños de

grano menores de 100 μm [1].

2.4. Procesos SSM

En el apartado anterior se han expuesto los métodos para obtener lingotes con una estructura no

dendrítica. Estos métodos se denominan Rheocasting y son el punto de partida de diferentes procesos

de conformación en estado semisólido (SSM) a escala industrial: Thixoforming, Compocasting,

Thixomolding, New Rheocasting, Sub Liquidus Casting y Semi-Solid Rheocasting.

A continuación se describirá el proceso de conformación en estado semisólido Sub Liquidus Casting, el

utilizado para la conformación de las piezas utilizadas en este proyecto.

2.4.1. Sub Liquidus Casting

En el año 2001, la empresa THT Presses patentó en Estados Unidos la técnica del Sub Liquidus Casting

(SLC®-THT).

Este proceso utiliza lingotes obtenidos por fundición normal, tanto de aleaciones primarias como

secundarias, y es capaz de reutilizar el material sobrante. Además no necesita maquinaria alternativa,

simplemente utiliza una máquina de inyección vertical con pequeñas variaciones.

17

No necesita de un procesado del lingote, ya que utiliza unos controles especiales de la temperatura que

hacen que el tratamiento de la aleación se pueda llevar a cabo en el interior de la máquina de inyección,

sin aumentar los tiempos de ciclo. [17]

Este proceso utiliza una máquina compacta que se muestra en la Figura 2.4.

Figura 2.4. Máquina de inyección SLC.

Los aspectos a tener en cuenta al realizar este método de conformación son:

● Tamaño de grano de la aleación

● Control de la temperatura de la aleación

● Enfriamiento de la aleación en el conducto de inyección

● Fluidez necesaria de la mezcla en la coquilla

● Tiempo para desarrollar la mezcla

2.4.1.1. Tamaño de grano de la aleación

Para realizar un buen proceso es necesario conseguir un buen refinamiento del grano mediante aditivos

afinantes de grano como TiB o SiB. [18] [19]

Si somos capaces de obtener un grano fino la mezcla progresará rápidamente y se conseguirá un

máximo rendimiento del proceso. Si se consigue un grano más grueso se tardará más tiempo en

conseguir la mezcla hasta el punto que si tenemos un tamaño de grano demasiado grande el proceso

puede resultar inviable. [18]

Los mejores afinantes son titanio-boro (5/1) y SiB2 [16].

Figura 2.5. Microestructura de un componente conformado por SLC.

18

2.4.1.2. Control de la temperatura de la aleación

La temperatura de la mezcla en la cámara de inyección ha de estar controlada. La temperatura ideal de

la mezcla en este proceso está a 1º C o 2º C por encima de la temperatura liquidus. Los tiempos de

permanencia en el conducto de inyección y la temperatura del metal dependerá el uno del otro. [18]

[19]

En la Figura 2.5 puede verse con detalle el perfil de temperaturas del material en el contenedor.

Figura 2.5. Esquema del proceso Sub Liquidus Casting [15].

2.4.1.3. Enfriamiento de la aleación en el conducto de inyección

El objetivo es conseguir que el metal inyectado en el molde presente fracciones de sólido entre un 40%

y un 60%.

Para realizar este proceso es necesario que el pistón tenga un diámetro bastante grande y que el

recorrido de este sea corto. Si no fuera así se necesitaría de una aportación de calor exterior o de

cualquier método exterior a la máquina, lo cual haría aumentar los tiempos de ciclo.

El sistema THT permite mayor productividad, y un control más estricto de la temperatura del metal,

necesario para el procesado del lodo. Así mismo, reduce la velocidad de llenado, y de este modo se

reducen drásticamente las presiones al final de cada inyección. [19]

En la Figura 2.6 se muestra un pistón y una cámara de inyección de una máquina de SLC.

Figura 2.6. Cámara de inyección y pistón. [1]

19

2.4.1.4. Fluidez necesaria de la mezcla en la coquilla

Debido a que se necesita que el material tenga entre un 40% y un 50% de sólido, se deposita una placa

que separa la coquilla y los conductos de inyección, dejándolo conectado por la parte donde la

temperatura y la estructura son las correctas. [19]

2.4.1.5. Tiempo para desarrollar la mezcla

Se ha de proporcionar el tiempo suficiente para conseguir la fase globular α necesaria en la mezcla

antes de se inyecte en la coquilla. Este puede ser el elemento más difícil de controlar en el proceso.

Los aspectos de tiempo y temperatura del procesado de los lingotes de inyección SSM han marcado las

pautas a seguir en la técnica del SLC. Los lingotes necesitan de minutos para recalentarse y ser útiles

para el procesado SSM y también necesitan de un control de la temperatura par conseguir una

colabilidad consistente. Por todo esto es difícil comprender como las mezclas del proceso SLC se

pueden procesar en segundos y en un cierto intervalo de temperaturas. [19] [20]

La fracción sólida de la mezcla determina su viscosidad, y esta determina a su vez la velocidad con que

la mezcla puede fluir en la coquilla y así mantener un avance del metal estable.

La clave de la técnica SLC radica en la habilidad de llenar rápidamente las cavidades de la coquilla

manteniendo un avance del metal estable, esto permite la producción de piezas con detalles y secciones

finas, evitando la aparición de óxidos y gas atrapado.

2.4.1.6. Características y ventajas del proceso SLC

● Características principales

- Muy buen control dimensional.

o Mínima mecanización

o Mínimo contenido de material

- Gran capacidad de reproducir detalles en las piezas.

- Son tratables térmicamente mejorando sus propiedades mecánicas.

- Utiliza tanto aleaciones primarias (A356, A354, A357…), como secundarias (380, 333…) y

aleaciones de difícil inyección o con propiedades especiales (6061…).

- Reducción de las temperaturas de inyección.

- Menos coste de energía.

● Ventajas

- Utiliza aleaciones normales.

- Se puede reciclar el material en planta.

20

- Solo se requiere del control de temperatura y tiempo para obtener la microestructura

deseada.

- El lingote no necesita de un proceso previo.

- Buena viscosidad, mínima turbulencia al ser inyectado.

3. Tratamientos térmicos Para obtener las propiedades óptimas del aluminio y sus aleaciones, generalmente es necesario

someterlas a tratamientos térmicos.

Un tratamiento térmico es un proceso industrial de mejora de propiedades mediante el control de las

temperaturas, los tiempos de permanencia y las velocidades de enfriamiento. Cuando se aplica a

aleaciones de aluminio, el término tratamiento térmico se refiere usualmente a las operaciones

empleadas para incrementar la resistencia y la dureza de las aleaciones de forja o de moldeo

endurecibles por precipitación.

Es muy importante someter las piezas a un buen tratamiento térmico. Un tratamiento térmico

defectuoso puede echar a perder todo el trabajo en el diseño de las piezas.

En la Tabla 3.1 se especifican las designaciones de los tratamientos térmicos en aleaciones de

aluminio.

Tabla 3.1. Designación de los tratamientos térmicos. The Aluminium Association. [25]

T5

Enfriamiento desde una temperatura elevada en el proceso de conformado y envejecimiento artificial

(tratamiento térmico de precipitación)

T6 Puesta en solución y envejecimiento artificial

Los requisitos fundamentales para que una aleación presente endurecimiento por envejecimiento son

los siguientes:

1- Que la aleación presente solubilidad creciente de un soluto o de una segunda fase a medida que

la temperatura aumenta.

2- Que el material a alta temperatura, el cual hay más solutos en solución, pueda ser templado o

congelado cuando la aleación se enfría a la temperatura ambiente o por debajo de ella. Puesto que

la aleación templada contiene más soluto a temperatura ambiente que cuando está en equilibrio, se

trata de una solución sobresaturada, inestable, que tiende a precipitar el exceso de solución o fase.

Con base a estos requisitos, el proceso de tratamiento térmico para conseguir el endurecimiento por

precipitación consiste en las etapas siguientes, las cuales se ilustran en la Figura 3.1.

21

Figura 3.1. Etapas del endurecimiento por precipitación. [27]

Si el proceso de precipitación no produce las etapas de transición coherentes, por más precipitación que

ocurra, no habrá precipitación ni aumento de resistencia. En la Figura 3.2 se muestra la colocación de

los precipitados coherentes y no coherentes dentro de la matriz. Las aleaciones que presentan

precipitaciones sin endurecimiento, se describen como no tratables térmicamente. Las aleaciones

binarias de aluminio y silicio y de aluminio y manganeso presentan un grado considerable de

precipitación cuando se trata térmicamente, pero los cambios que se observan en las propiedades

mecánicas son relativamente insignificantes y las aleaciones son, por tanto, no tratables térmicamente.

Los principales sistemas de aleación de aluminio tratables térmicamente son los siguientes:

• Sistema de aluminio-cobre con endurecimiento por CuAl2 (2XXX)

• Sistema de aluminio-magnesio-silicio con endurecimiento por Mg2Si (6XXX)

• Sistema de aluminio-magnesio-zinc con endurecimiento por MgZn2 (7XXX)

Figura 3.2. Colocación de los precipitados dentro de la matriz en la etapa de envejecimiento. [26]

3.1. Designaciones por condiciones de tratamiento térmico

La W y la T son designaciones que se aplican a las aleaciones de aluminio forjadas y fundidas que son

termotratables (es decir, las que se endurecen por tratamiento térmico o procesamiento térmico). La W

indica una condición inestable y ordinariamente no se utiliza. La designación T va seguida de un

número, del 1 al 10, que indica el procesamiento aplicado a la aleación forjada o fundida. A

continuación se exponen las designaciones de temple con explicaciones breves de los procesamientos:

22

• T1, enfriado desde un proceso de conformado a temperatura elevada y envejecido de forma

natural hasta una condición de considerable estabilidad.

• T2, enfriado desde un proceso de conformado a temperatura elevada, trabajado en frío y

envejecido de forma natural hasta una condición de considerable estabilidad.

• T3, térmicamente tratado por disolución, trabajado en frío y envejecido de forma natural hasta

una condición de considerable estabilidad.

• T4, térmicamente tratado por disolución y envejecido de forma natural hasta una condición de

considerable estabilidad.

• T5, enfriado desde un proceso de conformado a temperatura elevada y envejecido de una

forma artificial.

• T6, térmicamente tratado por disolución y envejecido en forma artificial. Esta designación se

aplica a productos que no se trabajan en frío después de un tratamiento térmico por disolución,

y cuyas propiedades mecánicas, o su estabilidad dimensional, o ambas cosas, han sido

mejoradas en grado importante por envejecimiento artificial (esto es, endurecimiento por

precipitación a temperaturas superiores al ambiente). Esta designación también se aplica en

productos en los que los efectos del trabajo en frío impartido por aplanado o rectificado no se

tienen en cuenta en los límites de propiedades específicas.

• T7, térmicamente tratado por disolución y sobreenvejecido o estabilizado.

• T8, térmicamente tratado por disolución, trabajado en frío y envejecido de forma artificial.

• T9, térmicamente tratado por disolución, envejecido artificialmente y trabajado en frío.

• T10, enfriado desde un proceso de conformado a temperatura elevada, trabajado en frío y

envejecido en forma artificial.

3.2. Tratamiento térmico T6

Las propiedades mecánicas de determinadas aleaciones de aluminio pueden mejorarse por medio del

tratamiento térmico denominado bonificación o T6, que consta de tres fases:

Recocido por disolución. El término “disolución” indica que se calienta la aleación a una temperatura

en la que aumenta la cantidad de soluto en la solución sólida. “Recocido” indica que el calentamiento

también reblandece la aleación.

Templado para formar una solución sobresaturada. Ésta etapa más crítica de la serie de procedimientos

de tratamiento térmico. La velocidad de templado debe ser mayor que la velocidad de enfriamiento

crítico para conservar la composición a la temperatura de recocido por disolución y para formar una

solución sobresaturada del soluto o fase. Esto crea la fuerza impulsora de la precipitación del soluto o

fase en exceso.

Precipitación del exceso de soluto o fase. El endurecimiento de la aleación se consigue precipitando el

exceso de soluto o fase en forma de un precipitado transitorio, metaestable y coherente. El

23

endurecimiento se debe a la formación de la red (deformación coherente) inducido por el precipitado

coherente.

En la Figura 3.3 puede observarse un esquema con las diferentes etapas del tratamiento térmico T6.

Figura 3.3. Esquema con las etapas del tratamiento térmico T6. [24]

La variación de solubilidad de los elementos de aleación con la temperatura es la causa fundamental del

efecto de los tratamientos térmicos en las propiedades de la aleación.

En una aleación Al-Si-Mg la temperatura de solubilización está dentro del intervalo de 500º C y 570º C.

Poniendo el material entre estas temperaturas, se conseguirá tener una concentración máxima de silicio

y de magnesio en la red del aluminio, sin que se haya llegado al punto de fusión. [23]

Una vez conseguida la solubilización se pasa a enfriar el material. Si este enfriamiento es lento, todo el

silicio y el magnesio que hay disuelto dentro del aluminio empieza a precipitar, si por el contrario el

enfriamiento es rápido, se retiene todo el silicio y el magnesio en solución sólida sobresaturada. Esta

solución sólida sobresaturada implica que existirá una tendencia a precipitar el exceso del elemento

soluto.

Esta precipitación del elemento soluto sobresaturado se consigue de diferentes maneras. Hay aleaciones

donde a temperatura ambiente se produce la precipitación de los elementos de aleación. En este caso la

velocidad de precipitación es muy variable, para conseguir una estructura estable puede ir desde horas

hasta días.

Para acelerar este proceso la velocidad de precipitación puede ser modificada produciendo un

calentamiento del material a una temperatura moderada superior a la ambiente.

3.2.1 Puesta en solución

La finalidad del tratamiento de solubilización es obtener una solución sólida con la máxima

concentración del elemento de aleación endurecedor, esto de consigue a una temperatura elevada

determinada, entre 520º C y 550º C durante un tiempo determinado que puede ir desde 2 a 8 horas.

Como se ha dicho antes, someter la pieza a un buen tratamiento térmico es muy importante, para ello se

ha de estudiar la influencia de los diferentes factores que intervienen en un tratamiento térmico.

24

3.2.1.1 Temperatura de puesta en solución

Existe una temperatura óptima de solubilización. Si la temperatura es superior a la óptima las

características mecánicas no serán las mejores, ya que la aleación sufre lo que se llama quemado de la

aleación, que es una fusión parcial de los constituyentes eutécticos en los límites de grano. Por el

contrario si la temperatura es inferior a la óptima las características mecánicas tampoco serán las

mejores ya que no se habrá conseguida una solubilización completa de los constituyentes activos de la

aleación.

La solubilización de las aleaciones de aluminio tiene la característica de que su cinética no depende de

la temperatura, así, si aumentamos la temperatura de solubilización no se consigue reducir los tiempos.

3.2.1.2 Tiempo de solubilización

El tiempo depende del material, del proceso de conformado utilizado y del espesor de la pieza.

Si las piezas presentasen una buena homogeneidad los tiempos a los que se someterían serían más

cortos, pero esto no es así ya que desde el primer momento la solidificación se produce de forma

heterogenea. Por ello se utilizan tiempos largos, para que las fases precipitadas en el límite de grano

puedan difundirse hacia el interior del grano. Esta difusión será más rápida si el tamaño de grano es

más pequeño.

3.2.2 Temple

Una vez realizada la puesta en solución, la aleación ha de ser enfriada enérgicamente para obtener la

solución sólida sobresaturada a temperatura ambiente.

El temple es muy importante ya que es un factor que afecta directamente a la última fase del

tratamiento térmico, la maduración. Si se enfría de forma suficientemente rápida se conseguirá retener

en la solución el máximo de elementos endurecedores.

Los factores que influyen en la velocidad de enfriamiento son diversos. El calor específico del material,

la temperatura del fluido refrigerante y el tiempo que tarda en pasar desde la temperatura inicial hasta la

final son algunos de los más importantes.

El agua a temperatura ambiente es el fluido refrigerante que más se utiliza, ya que proporciona

velocidades de enfriamiento superiores a cualquier otro fluido.

3.2.3 Envejecimiento

Es la última etapa del tratamiento térmico de bonificado. Se puede realizar a temperatura ambiente

(envejecimiento natural) o sometiendo la pieza a temperaturas moderadas superiores a la ambiente.

Consiste en una evolución estructural que se caracteriza por la formación de aglomeraciones

submicroscópicas de átomos, coherentes y/o semicoherentes con la matriz de aluminio que dificultan

las deformaciones plásticas y endurecen la aleación.

25

3.2.3.1 Envejecimiento artificial

El envejecimiento artificial consiste en someter la pieza a un calentamiento a una temperatura

moderada, superior a la ambiente, durante un periodo de tiempo.

En esta etapa los procesos de precipitación son acelerados consiguiendo una mejora en las propiedades

mecánicas. En general se consigue un aumento de la carga de ruptura, del límite elástico y de la dureza,

y una disminución del alargamiento.

En esta etapa la velocidad de envejecimiento si depende del tiempo y de la temperatura a que se somete

la pieza.

Para cada temperatura de envejecimiento existe un tiempo óptimo, el cual proporciona las mejores

propiedades mecánicas, si este tiempo se sobrepasa entonces se produce una pérdida de las

propiedades, y se produce el sobreenvejecimiento, con la pérdida total de coherencia de los precipitados

con la matriz de aluminio.

Una vez realizada la maduración se puede enfriar con el método que se desee, con agua o a temperatura

ambiente ya que este enfriamiento no influye en las propiedades del material.

En la Figura 3.4 se representa la sucesión de precipitados durante las diversas etapas de tratamiento

considerando también el sobreenvejecimiento.

Figura 3.4. Etapas de la microestructura en el envejecimiento. [26]

Las fases GP (Guinier Preston) y θ’’ pertenecen a la etapa de envejecimiento, mientras que las fases θ’

y θ son específicas del sobreenvejecimiento.

3.2 Tratamiento térmico T5

El tratamiento térmico T5 consiste solo en la última etapa del tratamiento térmico T6, es decir de una

maduración artificial. En este caso la pieza se somete a un temple al salir del molde, así la aleación ya

tiene parte de los elementos en solución sólida sobresaturada.

En la Figura 3.5 se representa el esquema del tratamiento térmico T5.

26

Figura 3.5. Esquema de las etapas del tratamiento

térmico T5. [24]

Es más simple y menos costoso económicamente que el tratamiento térmico T6, pero al no conseguir la

solubilización máxima, las propiedades mecánicas tampoco serán las mejores.

4. Ensayos

4.1. Ensayo de dureza Brinell

Este ensayo consiste en oprimir una bola de acero endurecido contra una probeta. De acuerdo con las

especificaciones de la UNE-EN ISO 6506-1.

Este ensayo se utiliza en materiales de durezas bajas. Utiliza penetradores en forma de bolas de

diferentes diámetros, estos pueden ser de acero templado o de carburo de tungsteno. Utiliza cargas

normalmente de hasta 29420 N, las cuales se pueden normalizar de acuerdo con la Ecuación 4.1.

P= 0,102*KD2 (Ecuación 4.1)

Donde:

P: Carga a utilizar.

K: Representa una constante que vale entre 1 y 30, dependiendo del material que este siendo ensayado.

Para las aleaciones de aluminio los valores están entre 10 y 15.

D: Diámetro del indentador que se va a utilizar en la prueba.

Aunque existen algunas máquinas de ensayo de Brinell que dan una lectura directa, normalmente, para

determinar el número de dureza, se utiliza la Ecuación 4.2.

(Ecuación 4.2)

27

Donde:

P: Carga utilizada.

D: Diámetro del indentador.

d: Diámetro de la huella.

La carga se aplica durante 30 segundos y luego se retira. Inmediatamente se lee en milímetros el

diámetro de la impresión.

4.2. Ensayo de tracción

Para conocer las cargas que pueden soportar los materiales, se efectúan ensayos para medir su

comportamiento en distintas situaciones. El ensayo destructivo más importante es el ensayo de tracción,

donde se coloca una probeta en una máquina de ensayo consistente de dos mordazas, una fija y otra

móvil. Se procede a medir la carga mientras se aplica el desplazamiento de la mordaza móvil.

Esta máquina nos proporciona una curva Carga- Desplazamiento como se muestra en la Figura 4.1.

Partiendo de esta gráfica y utilizando la ecuación 4.3 y ecuación 4.4 obtenemos la curva Tensión-

Deformación.

Figura.4.1. Curva Carga- Desplazamiento [28]

El área bajo la curva Carga- Desplazamiento es la energía almacenada en la muestra durante la

deformación (elástica + plástica).

(Ecuación 4.3)

Donde, F es la carga (Fuerza) y A0 es la sección inicial de la probeta.

28

(Ecuación 4.4)

Donde, l0 es la longitud inicial y l es la longitud final de la probeta.

De esta curva Tensión- Deformación podemos extraer propiedades del material tales como, módulo

elástico (E), límite elástico (σ0,2), la resistencia a la tracción (σUTS) y el alargamiento, tal como se

muestra en la Figura 4.2.

La deformación elástica es una deformación temporal y se recupera totalmente cuando la carga es

eliminada. El material absorbe energía elástica que después devuelve.

A la ley que nos relaciona las tensiones con la deformación en el campo elástico se denomina ley de

Hooke (en honor a su descubridor R. Hooke 1635-1703) y puede expresarse según la Ecuación 4.5.

(Ecuación 4.5)

Donde,

: es el módulo de elasticidad longitudinal.

: es la tensión aplicada.

: es la deformación unitaria.

E mide la oposición que ejerce el material a ser deformado a tracción. Representa la rigidez del

material. Se calcula experimentalmente de la gráfica.

Hay que tener presente que la ley de Hooke no es una ley exacta como las leyes de Newton, la ley de

Coulomb o la ley de gravitación universal. Esta ley es aproximada, basada en observaciones hechas en

el laboratorio y que sólo es aplicable bajo determinadas condiciones experimentales (esfuerzos lo

suficientemente pequeños).

La deformación plástica es una deformación permanente y no se recupera cuando se elimina la carga,

aunque se recupera una pequeña componente elástica.

El mecanismo fundamental de la deformación plástica es la distorsión y reformación de los enlaces

atómicos. La naturaleza de este mecanismo son las relaciones entre las dislocaciones y la deformación

mecánica.

29

Figura 4.2. Curva Tensión- Deformación. [28]

Se alcanza la región plástica una vez superado el límite elástico.

Se toma como Límite elástico (YS, Yield Strenght) el esfuerzo necesario para provocar una

deformación permanente del 0.2% en el material.

Las leyes constitutivas de la deformación plástica describen la relación entre los parámetros básicos de

la deformación a una temperatura dada, las características del material y la microestructura. Los

parámetros de la deformación o variables macroscópicas son la tensión σ, la temperatura T y la

velocidad de deformación , que es la derivada de la deformación como indica la ecuación 4.6. La

mayoría de estas relaciones son empíricas o basadas en una aproximación teórica particular.

(Ecuación 4.6)

La Ecuación 4.7 más conocida como ecuación de Hollomon es la más empleada para describir el

comportamiento plástico de un material.

(Ecuación 4.7)

Donde K es el coeficiente de resistencia y n el exponente de endurecimiento por deformación.

5. Procedimiento Experimental

5.1. Introducción En el presente apartado se describirá los pasos seguidos para la realización de dicho proyecto,

empezando por la extracción y preparación de las probetas, los tratamientos térmicos realizados y los

ensayos mecánicos realizados, ensayo de tracción y ensayo de dureza, así como el análisis de los

σ = K· n

30

resultados obtenidos.

Por optimización entendemos conseguir la mayor dureza con el mínimo de temperatura y tiempo, ya

que esto se traduce en un menor coste.

El procedimiento que se sigue para la optimización de los tratamientos térmicos se basa en la obtención

final de las curvas HBW- Horas (dureza-tiempo) de las muestras expuestas a distintas temperaturas y

tiempos, tanto en la puesta en solución como en el envejecimiento.

5.2. Material utilizado El material utilizado en este proyecto ha sido subministrado por la empresa Infun S.A. Las piezas en

forma de platina de moto se muestran en la Figura 5.1, han sido elaboradas con la aleación de aluminio

A356 conformadas con la técnica del Sub Liquidus Casting (SLC) y enfriadas al aire después de su

extracción del molde.

Figura 5.1. a) Parte de delante de la platina de moto

conformadas por SLC.

Figura 5.1. b) Parte trasera de la platina de moto conformada por SLC.

5.2.1. Preparación de las muestras para los ensayos de dureza

Para la optimización del tratamiento térmico T6 se han utilizado tres componentes de la misma serie

con la identificación Y44, Y45 y Y46, de la cuales se han extraído un total de 24 muestras, 8 de cada

pieza, suficientemente grandes como para realizar entre 15 y 20 penetraciones del ensayo de dureza. En

la Figura

5.2 se puede observar la localización de las muestras en la pieza antes de su extracción.

La marcación de las piezas se ha realizado a partir del segundo numero de la pieza, por ejemplo, si una

31

muestra empieza por un 4, pertenece a la Y44, si empieza con un 5 pertenece a la Y45 y si empieza con

un 6 pertenece a la Y46, el segundo número corresponde a la situación de la muestra en la pieza, tal y

como se muestra en la Figura 5.2.

Para la optimización del tratamiento térmico T5 se ha requerido una pieza, se han utilizado las muestras

número 1, 2, 3 y 4. La pieza para el tratamiento térmico T5 ha sido sometida a un temple con agua a la

salida del molde.

Figura 5.2. Localización de las muestras.

En la preparación de las muestras se ha utilizado una tronzadora metalografica Struers Labotom, para el

corte de las piezas. Posteriormente, se ha utilizado una fresadora con control numérico Emco F1- CNC,

para dejar las caras de las muestras completamente paralelas, para obtener un resultado lo más fiable en

el ensayo de dureza, y finalmente se ha requerido de una pulidora Struers Rotopol 2, para dejar las

caras de las muestras completamente uniformes con un papel abrasivo de granulometría P180. En la

Figura 5.3 se observa un ejemplo de muestra una vez acondicionada para empezar el estudio.

Figura 5.3. Muestra totalmente preparada.

En la Tabla 5.1 y Tabla 5.2 se muestran la relación de temperaturas y tiempos en la puesta en solución

y en el envejecimiento que han sido sometidas cada una de las muestras utilizadas en la optimización

del T6.

32

Tabla 5.1. Relación de muestras en la puesta en solución.

Tabla 5.2. Relación de muestras en el envejecimiento.

Temperatura Tiempo Nº de muestra

4.5

2-4-8 horas 4.8

4.7

160º C 4.6

4.4

3-6 horas 4.2

4.1

4.3

5.8

2-4-8 horas 5.7

5.5

Envejecimiento 170º C 5.6

5.2

3-6 horas 5.1

5.4

5.3

6.8

2-4-8 horas 6.5

6.7

180º C 6.6

6.2

3-6 horas 6.3

6.1

6.4

5.2.2. Preparación de las muestras para los ensayos de tracción

Se han utilizado tres piezas. Las probetas de tracción se han sacado de la zona superior de la pieza, tal

como muestra la Figura 5.4.

Temperatura Tiempo Nº de muestra

4.5 / 4.4

4 horas 5.8 / 5.2

6.8 / 6.2

540º C 4.8 / 4.2

5 horas 5.7 / 5.1

Puesta en Solución 6.5 / 6.3

4.7 / 4.1

4 horas 5.5 / 5.4

6.7 / 6.1

545º C 4.6 / 4.3

5 horas 5.6 / 5.3

6.6 / 6.4

33

Figura 5.4. Zonas de extracción de las probetas de tracción.

En la preparación de las probetas se ha utilizado la tronzadora Struers Labotom, para el corte de las

piezas dejándolas en forma de prisma tal como muestra la Figura 5.5. Una vez tenemos los prismas, se

mecaniza con un torno CN Emco Compact 5 un extremo del prisma hasta un diámetro de 800 mm para

mejorar el agarre de las mordazas en el momento de mecanizar por completo la probeta.

Figura 5.5. Forma de la probeta antes de mecanizar.

Una vez mecanizado el extremo, las probetas que lo requieran son sometidas a los tratamientos

térmicos T5 y T6 óptimos correspondientes. Una vez finalizados las probetas se acaban de mecanizar

para la realización del ensayo de tracción.

Las dimensiones de la probeta de tracción se muestran en la Figura 5.6.

Figura 5.6. Dimensiones de la probeta de tracción.

34

5.3. Tratamientos Térmicos

El tratamiento térmico T6 se ha realizado a dos temperaturas (540º C y 545º C) y a dos tiempos (4 horas

y 5 horas) distintos de puesta en solución, y a un envejecimiento de tres temperaturas diferentes (160º

C, 170º C y 180º C) durante un máximo de 10 horas, teniendo un total de 12 condiciones diferentes de

estudio.

Tanto la puesta en solución como el envejecimiento se han realizado en un horno Hobersal con control

PID de temperaturas, situado en el laboratorio de tratamientos térmicos L-007 de la EPSEVG, tal como

se muestra en la Figura 5.7.

Figura 5.7. Horno de tratamientos térmicos Hobersal

En el tratamiento térmico T5, el estudio se ha realizado a dos temperaturas, 160º C y 170º C con un

tiempo máximo de 12 horas en una estufa de tratamientos térmicos Hobersal, como se observa en la

Figura 5.8, situado en el laboratorio L-002 de la EPSEVG.

Figura 5.8. Estufa de tratamientos térmicos.

5.4. Ensayo de dureza Brinell Los ensayos de dureza Brinell se han realizado según la norma UNE-EN ISO 6506-1.

El equipo utilizado es un durómetro universal Metrocom RC-MP situado en laboratorio de ensayos de

materiales L-003 de la EPSEVG, se muestra en la Figura 5.9.

35

Figura 5.9. Durómetro universal marca Metrocom

La carga utilizada ha sido en todos los casos de 612,9 N con un penetrador esférico de WC con un

diámetro de 2,5 mm.

Cada ensayo ha constado de 3 penetraciones.

En el tratamiento térmico T6 se han realizado en estado de colada, después del temple de la puesta en

solución y a las 2- 3- 4- 6 y 8 horas en el envejecimiento.

En el tratamiento térmico T5 las penetraciones se han realizado en estado de colada y a las 2- 3- 4- 6- 8-

10 y 12 horas.


Los ensayos de tracción se han realizado siguiendo la norma UNE-EN 10002-1.

La maquina de tracción unidireccional utilizada es de la marca Zwick modelo Z100 situada en el

laboratorio L-003 de la EPSEVG, se puede observar en la Figura 5.10.

Figura 5.10. Maquina de tracción marca Zwick, modelo Z100

El ensayo de tracción se ha realizado sobre muestras en estado de colada, con el tratamiento térmico T6

óptimo y con el tratamiento térmico T5 óptimo.

36

Los ensayos se han realizado a temperatura ambiente y a una velocidad de separación de las mordazas

de 5 mm/ min. Cada ensayo ha constado de 3 probetas.

6. Resultados

6.1. Optimización tratamientos térmicos En las tablas siguientes, Tabla 6.3, Tabla 6.4 y Tabla 6.5 se muestran las durezas obtenidas en estado

de colada para cada pieza Y44, Y45 y Y46 respectivamente.

Tabla 6.3. Durezas Estado de colada de la pieza Y44.

Muestra 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8

75 68 73 73 72 69 65 62

HBW 67 73 71 69 69 68 63 65

69 70 71 71 68 69 66 63

HBWm 70 70 71 71 70 69 64 63

Desviación St. 4,16 2,51 1,15 2 2,08 0,57 1,52 1,52

Tabla 6.4. Durezas Estada de colada de la pieza Y45.

Muestra 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8

70 70 70 72 64 64 71 64

HBW 73 70 71 71 66 62 63 60

70 72 70 65 65 66 71 58

HBWm 71 70 70 69 65 64 68 61

Desviación St. 1,73 1,15 0,57 3,78 1 2 1,52 3,05

Tabla 6.5. Durezas Estado de colada de la pieza Y46.

Muestra 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8

68 66 65 69 65 68 65 67

HBW 64 67 68 72 66 66 71 69

69 66 63 72 66 63 68 71

HBWm 67 66 65 71 66 66 68 69

Desviación St. 2,64 0,57 2,51 1,73 0,57 2,51 3 2

37

En los primeros resultados obtenidos, se observa que las muestras pertenecientes a las zonas 5, 6, 7 y 8

correspondientes a la zona inferior de la pieza, como muestra la Figura 6.2 tienen una tendencia a tener

menor dureza, como se ve claramente en las piezas Y44 y Y45. Esto es debido a que tanto el llenado del

molde como la posterior solidificación son procesos en los cuales no hay una homogeneidad absoluta.

6.1.1. Optimización del tratamiento térmico T6

Las siguientes tablas, Tabla 6.6, Tabla 6.7, Tabla 6.8 y Tabla 6.9 corresponden a las durezas

obtenidas después del temple una vez realizada la puesta en solución.

Tabla 6.6. Durezas Puesta en Solución a 540º C durante 4 horas.

Muestra 4.4 4.5 5.8 5.2 6.8 6.2

63 58 67 62 58 62

HBW 61 62 57 62 62 69

60 63 57 60 61 58

HBWm 61 61 60 61 60 63

Desviación St. 1,52 2,64 5,77 1,15 2,08 5,56


Muestra 4.8 4.2 5.7 5.1 6.5 6.3

50 54 53 52 54 58

HBW 50 51 54 54 58 57

51 52 51 54 56 57

HBWm 50 52 53 53 56 57

Desviación St. 0,57 1,52 1,52 1,15 2 0,57


Muestra 4.1 4.7 5.4 5.5 6.1 6.7

52 59 57 52 54 63

HBW 53 59 56 58 60 66

55 56 51 52 55 64

HBWm 53 58 55 54 56 64

Desviaciónt St. 1,52 1,73 3,21 3,46 3,21 1,52


Muestra 4.6 4.3 5.6 5.3 6.6 6.4

51 52 56 55 65 58

HBW 52 51 58 54 54 53

50 52 54 54 58 53

HBWm 51 52 56 54 59 55

Desviación St. 1 0,57 2 0,57 5,56 2,88

38

En las tablas anteriores referentes a la puesta en solución se observa un descenso de la dureza al

incrementar la temperatura y el tiempo de la Puesta en Solución, debido a que se obtiene una solución

sólida metaestable, sobresaturada de soluto, con los átomos de soluto colocados de manera aleatoria y

la desaparición de la fase estable θ. La mayor dureza se obtiene para una Puesta en Solución a 540º C

durante 4 horas.

A continuación se muestran en la Tabla 6.10, Tabla 6.11 y Tabla 6.12 las durezas promedio obtenidas

para una Puesta en Solución a 540º C durante 4 horas y un envejecimiento de 160º C, 170º C y 180º C

respectivamente, y la Figura 6.1 que corresponde a las curvas HBW- Horas en cada temperatura de

envejecimiento.

Tabla 6.10. Durezas Puesta en Solución a 540º C durante 4 horas y envejecimiento a 160º C (muestras 4.5 y 4.4).

Tiempo / h 0 2 3 4 6 8

Dureza / HBW 61 92 105 94 107 93


Tiempo / h 0 2 3 4 6 8

Dureza / HBW 60 71 81 82 100 99


Tiempo / h 0 2 3 4 6 8

Dureza / HBW 61 82 100 99 102 105

Tal como muestra la Tabla 6.10 en una Puesta en Solución a 540º C durante 4 horas la mayor dureza se

obtiene con un envejecimiento a 160 º C durante 6 horas, proporcionando una dureza de 107 HBW.

En el envejecimiento a 170º C, como muestra la Figura 6.11, la mayor dureza queda 7 unidades por

debajo de la conseguida a 160º C, a las 6 horas de tratamiento se obtiene una dureza de 100 HBW.

Si observamos la Figura 6.12, para un envejecimiento a 180º C su máxima dureza se consigue a las 8

horas de tratamiento, siendo de 105 HBW. En este caso se requiere de más tiempo para conseguir una

precipitación de elementos parecido al conseguido a 160º C.

Si observamos la Figura 6.1 vemos claramente que en el envejecimiento a 160º C hay un aumento más

rápido de la dureza que en las otras temperaturas de envejecimiento.

39

T6. Puesta en Solución a 540ºC durante 4 horas

0

20

40

60

80

100

120

0 2 4 6 8 10

Tiempo / h

Dur

eza

/ HB

W

160ºC

170ºC

180ºC

Figura 6.1. Gráfica Dureza- tiempo para una Puesta en Solución a 540º C durante 4 horas y envejecimiento posterior.

40

En la Tabla 6.13, Tabla 6.14 y Tabla 6.15 así como en la Figura 6.2 se muestran las durezas que

hacen referencia a una Puesta en Solución a 540º C durante 5 horas y envejecimiento a 160º C, 170º C

y 180º C respectivamente.


Tiempo / h 0 2 3 4 6 8

Dureza / HBW 51 83 77 88 96 88


Tiempo / h 0 2 3 4 6 8

Dureza / HBW 53 71 81 90 101 102

Tabla 6.15. Durezas Puesta en Solución a 540º C durante 5 horas y envejecimiento a 180º C (muestras 6.5 y 6.3)

Tiempo / h 0 2 3 4 6 8

Dureza / HBW 56 77 98 97 105 102

Al aumentar el tiempo de puesta en solución no se consigue mejorar los resultados anteriores. Con una

puesta en solución de 4 horas es suficiente para conseguir una concentración máxima de Mg2Si en la

red del aluminio.

Si seguimos con una Puesta en Solución a 540º C pero aumentamos el tiempo de tratamiento a 5 horas,

observamos en la Tabla 6.13 que para un envejecimiento a 160º C el tiempo óptimo vuelve a ser de 6

horas aunque en este caso no se alcanza un valor de dureza equivalente al anterior, encontramos una

dureza máxima de 96 HBW.

A 170º C, tal como muestra la Tabla 6.14, las durezas obtenidas a las 6 horas y a las 8 horas no

presentan una diferencia notable, 101 HBW y 102 HBW respectivamente, con lo cual el tiempo óptimo

a 170º C vuelve a ser de 6 horas. La dureza obtenida también es similar a la encontrada en la puesta en

solución de 4 horas.

En cambio, en la Tabla 6.15, a una temperatura de envejecimiento de 180º C, la mayor dureza es de

105 HBW a las 6 horas de envejecimiento, pero los valores de dureza y de tiempos no se distancian

demasiado en las diferentes condiciones de puesta en solución.

41


42

En la Tabla 6.16, Tabla 6.17, Tabla 6.18 y la Figura 6.3 corresponden a las durezas para una Puesta en

Solución de 545º C durante 4 horas y envejecimiento a 160º C, 170º C y 180º C respectivamente.


Tiempo / h 0 2 3 4 6 8

Dureza / HBW 55 89 100 101 101 99


Tiempo / h 0 2 3 4 6 8

Dureza / HBW 54 76 77 86 97 106


Tiempo / h 0 2 3 4 6 8

Dureza / HBW 60 81 98 94 103 99

Si aumentamos la temperatura de puesta en solución a 545º C no notamos ningún cambio sustancial en los

resultados obtenidos en el envejecimiento, ya que no se llega a una temperatura lo suficientemente alta como

para provocar la fusión parcial del silicio eutéctico.

Como se observa en la Tabla 6.16, a temperatura de 160º C, las durezas a partir de las 3 horas no sufren

grandes cambios, comenzando a perder propiedades a partir de las 8 horas de tratamiento.

En la Tabla 6.17, para una temperatura de 170º C durante 8 horas se obtiene la mayor dureza de 106 HBW

para esta condición de puesta en solución.

Para el envejecimiento a 180º C, como indica la Tabla 6.18, la dureza máxima de 103 HBW se obtiene a las

6 horas de tratamiento, coincidiendo sin grandes variaciones con los obtenidos en las condiciones de puesta

en solución anteriores.

43


0

20

40

60

80

100

120

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Tiempo / h

Du

reza / H

BW

160ºC

170ºC

180ºC


44

En la Tabla 6.19, Tabla 6.20, Tabla 6.21 así como en la Figura 6.4 se exponen las durezas obtenidas para

una Puesta en Solución de 545º C durante 5 horas y un envejecimiento a 160º C, 170º C y 180º C

respectivamente.


Tiempo / h 0 2 3 4 6 8

Dureza / HBW 51 83 83 96 94 95


Tiempo / h 0 2 3 4 6 8

Dureza / HBW 55 69 83 82 99 97


Tiempo / h 0 2 3 4 6 8 10

Dureza / HBW 57 84 99 99 103 106 102

A temperatura de 160º C la mayor dureza es de 96 HBW que se obtiene a las 4 horas de envejecimiento,

estos valores continúan muy parecidos las siguientes 4 horas de tratamiento, tal como se observa en la Tabla

6.19.

En la Tabla 6.20, a una temperatura de envejecimiento de 170º C el valor máximo de 99 HBW lo

obtenemos a las 6 horas de envejecimiento.

Con un envejecimiento a 180º C, como indica la Tabla 6.21, se consigue un valor similar a los máximos

conseguidos hasta ahora, es a las 8 horas donde se obtiene una dureza de 106 HBW. Por ello se ha realizado

un ensayo adicional, a las 10 horas de envejecimiento para analizar esta evolución, la cual nos muestra que a

partir de las 8 horas la dureza disminuye.

45


0

20

40

60

80

100

120

0 2 4 6 8 10 12

Tiempo / h

Du

reza / H

BW

160ºC

170ºC

180ºC


46

Para determinar la condición óptima de tiempos y temperaturas del tratamiento térmico T6, buscamos para

cada condición los valores de dureza máximos.

Para una Puesta en Solución a 540º C durante 4 horas (Figura 6.1), se obtiene una dureza máxima de 107

HBW para un envejecimiento a 160º C durante 6 horas.

En una Puesta en Solución a 540º C durante 5 horas (Figura 6.2), la dureza máxima de 105 HBW se

encuentra para un envejecimiento de 180º C durante 6 horas.

En la Puesta en Solución a 545º C durante 4 horas (Figura 6.3), obtenemos la máxima dureza de 106 HBW

para un envejecimiento de 170º C durante 8 horas.

Y para una Puesta en Solución de 545º C durante 5 horas (Figura 6.4), la máxima dureza de 106 HBW, se

encuentra para un envejecimiento a 180º C durante 8 horas.

Todos los datos anteriores son los máximos valores de dureza obtenidos para cada condición y se observa

que todos ellos son muy similares, con variaciones máximas de dos unidades de dureza. Si miramos los

tiempos y temperaturas mínimas de tratamiento se ve claramente que las condiciones óptimas del

tratamiento térmico T6 son de una Puesta en Solución a 540º C durante 4 horas y un envejecimiento de 6

horas a 160º C.

Observando los resultados expuestos en las tablas anteriores podemos decir que el tiempo óptimo de

envejecimiento a 160º C se encuentra alrededor de las 6 horas, mientras que para temperaturas superiores de

170º C y 180º C el tiempo óptimo se encuentra entre la 6 y las 8 horas.

También se observa que para temperaturas de envejecimiento de 160º C y 180º C, el aumento de dureza con

respecto al tiempo de tratamiento es mayor que a la temperatura de 170º C.

6.1.2. Optimización del tratamiento térmico T5

A continuación se muestran los resultados obtenidos en la optimización del tratamiento térmico T5, en la

Tabla 6.22 se muestran los resultados obtenidos para un envejecimiento a 160º C y en la Tabla 6.23 para un

envejecimiento a 170º C. En la Figura 6.5 se comparan los resultados obtenidos a 160º C y 170º C.

Tabla 6.22. Durezas envejecimiento a 160º C.

Tiempo / h 0 2 3 4 6 8 10 12

Dureza / HBW 68 73 76 75 80 80 86 83

Tabla 6.23. Durezas envejecimiento a 170 º C.

Tiempo / h 0 2 3 4 6 8 10 12

Dureza / HBW 67 76 79 81 84 84 89 86

En el tratamiento térmico T5 tanto a la temperatura de 160º C como a 170º C la mayor dureza se obtiene a

las 10 horas de tratamiento, siendo la dureza del envejecimiento a 170º C la de valor ligeramente superior

que el conseguido a 160º C. Las durezas obtenidas son menores que las del tratamiento térmico T6, debido a

que en la salida del molde y posterior enfriamiento en agua, la matriz de aluminio no presenta en su

estructura un máximo de elementos endurecedores en solución sólida, por lo tanto no se consigue el máximo

de densidad de precipitadotes endurecedores.

47

T5

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8 10 12 14

Tiempo / h

Du

reza

/ H

BW

160ºC

170ºC

Figura 6.5. Gráfica Dureza- tiempo envejecimiento a 160º C y 170º C.

48


En las siguientes tablas, Tabla 6.24, Tabla 6.25 y Tabla 6.26 aparecen los valores de los parámetros

obtenidos en los ensayos de tracción para probetas en estado de colada, con tratamiento térmico T5 y

tratamiento térmico T6 respectivamente, así como la Figura 6.6 donde se comparan las gráficas Tensión-

Deformación para cada uno de los casos anteriores.

Tabla 6.24. Valores de los parámetros obtenidos en estado de colada.

Tabla 6.25. Valores medios de los parámetros obtenidos con tratamiento térmico T5.

Módulo elástico 73 GPa

Límite elástico 145 MPa

Resistencia a la tracción 219 MPa

Alargamiento 8 %

Tabla 6.25. Valores de los parámetros obtenidos con tratamiento térmico T6.



Resistencia tracción 304 MPa

Alargamiento 9,9 %

Los resultados obtenidos en los ensayos de tracción nos muestran que las piezas que son sometidas a

tratamientos térmicos T6 aumentan sus valores de, límite elástico y resistencia a tracción, y disminuye su

alargamiento respecto al estado de colada, esto se debe al precipitado Mg2Si que aumenta la resistencia.

Con el tratamiento térmico T5 únicamente se ha observado un incremento significativo del límite elástico.



Resistencia tracción 216 MPa

Alargamiento 12,5 %

49

Tensión- Deformación

0

50

100

150

200

250

300

350

0 0,05 0,1 0,15 0,2

Deformación / %

Ten

sió

n /

N/m

m

T6

Estado de colada

T5

Figura 6.6. Diagrama Tensión – Deformación para muestras en estado de colada y con tratamiento térmico T5 y T6.

50

7. Conclusiones

En la determinación del tratamiento térmico T6 óptimo los ensayos de dureza Brinell realizados en las

diferentes condiciones muestran en todos los casos un incremento de la dureza al finalizar los tratamientos

térmicos T5 y T6.

Observando los resultados expuestos anteriormente, podemos decir que es suficiente una puesta en solución

a 540º C durante 4 horas y un envejecimiento a 160º C durante 6 horas para conseguir una concentración

máxima de soluto en la solución sólida, es decir, obtener un máximo de elementos de aleación

endurecedores dentro de la matriz de aluminio y una precipitación adecuada de estos elementos.

En la etapa de envejecimiento se ha observado que los tiempos óptimos varían dependiendo de la

temperatura del tratamiento, siendo de 6 horas a 160º C y entre 6 y 8 horas en las temperaturas de 170º C y

180º C.

Al realizar el temple se ha observado que la dureza disminuía con respecto al estado de colada, y también al

aumentar la temperatura.

En nuestro caso la temperatura de puesta en solución no es un factor determinante en el endurecimiento de

la aleación ya que principalmente tiene la función de obtener una solución sólida con la máxima

concentración de los elementos de aleación. Las temperaturas de 540º C y 545º C no difieren mucho el uno

del otro y en ningún caso la temperatura es lo suficientemente alta como para que se produzca la fusión

parcial del eutéctico, ni lo bastante baja como para no obtener el máximo de elementos endurecedores de la

aleación. El objetivo principal es encontrar la mínima temperatura para que los elementos de aleación se

disuelvan en la matriz de aluminio.

También puede observarse que para cada temperatura de envejecimiento existe un tiempo óptimo para que

la precipitación dé los mejores resultados en la aleación. A 160º C el tiempo óptimo lo encontramos a las 6

horas aproximadamente, y a 170º C y 180º C el tiempo óptimo está entre 6 y 8 horas.

A lo que se refiere al tratamiento térmico T5 en ambos casos las durezas son similares, 86 HBW para un

envejecimiento a 160º C y de 89 HBW para un envejecimiento a 170º C, siendo el tiempo de mantenimiento

el mismo en los dos casos.

Los resultados obtenidos en los ensayos de tracción nos muestran que las piezas que son sometidas a

tratamientos térmicos T6 aumentan sus valores de límite elástico y resistencia a tracción, y disminuye su

alargamiento con respecto al estado de colada por consecuencia del incremento de resistencia

experimentado por el precipitado Mg2Si.

En el tratamiento térmico T5 únicamente se ha observado un incremento significativo del límite elástico.

El tratamiento térmico T5 tiene la ventaja de ser más simple y menos costoso económicamente y evita

además distorsiones que puedan aparecer en la pieza al ser enfriada, no alterándose la estabilidad

dimensional.

51

8. Presupuesto

Orden Concepto Màquina Horas

Máquina Coste

Màquina Técnico Horas técnico Coste técnico Coste total

(€/h) (h) (€) (€/h) (h) (€) (€)

1 Documentación - - - 7 45 315 315

2 Preparación provetas dureza 45 20 900 39 35 1365 2265

3 Preparación provetas tracción 45 10 450 39 15 585 1035

4 Tratamientos térmico T6 55 36 1980 39 8 372 2352

5 Tratamiento térmico T5 50 20 1000 39 4 156 1117

6 Ensayos de dureza 39 8 312 39 10 390 702

7 Ensayos de tracción 137 2 274 65 5 325 599

8 Redacción del PFC - - - 65 110 7150 7150

Subtotal 4916 10658 15574

IVA 16%. 786,56 1705,28 2491,84

Suma total 96 5702,56 242 12363,28 18065,84

52

9. Estudio medioambiental

La conformación en estado semisólido permite optimizar las propiedades mecánicas de los componentes

fabricados, debido a que se consiguen elementos con menos porosidad y eso se traduce en una mejora de la

calidad del elemento conformado.

Si nos centramos en la técnica de conformado de las piezas utilizadas en este estudio, el Sub Liquidus

Casting, encontramos que es de las técnicas de conformado en estado semisólido que ayuda a reducir el

impacto medioambiental, ya que optimiza la utilización de la energía que se necesita durante el proceso.

En otras técnicas la energía utilizada es mayor ya que primero se funde para formar los lingotes, se deja

enfriar y para poder conformarlo se a de volver a calentar. En cambio en la técnica SLC el material solo se

funde una vez i se mantiene en un horno a temperatura constante hasta el momento de conformación.

El material utilizado en este estudio también favorece al medioambiente, ya que la utilización de las

aleaciones de aluminio en la conformación de piezas para la automoción y aeronáutica disminuyen el peso

de los vehículos y eso afecta al consumo de combustible que afecta directamente con la emisión de gases de

efecto invernadero.

El efecto directo que ha tenido este proyecto con el medioambiente puede considerarse mínimo. La única

generación de residuos aparece en el mecanizado de las probetas de tracción donde la viruta extraída se

recicla para un uso posterior.

El factor más importante es el gasto de energía que se ha realizado durante el proceso experimental para

determinar los parámetros de tiempo y temperatura, ya que se ha utilizado el horno durante muchas horas a

elevadas temperaturas. La optimización de los tratamientos térmicos al tener como finalidad obtener las

propiedades máximas con las menores temperaturas y tiempos, contribuye a minimizar el impacto

medioambiental de los procesos productivos.

53

10. Índice de tablas y figuras Pág.

Figura 1.1. Diagrama de equilibrio Al-MgSi. ………………………………………………. 11

Tabla 1.1. Composición química de la aleación A356, en % en peso. [23] ……………. 11

Figura 2.1. Corte de un lingote de rheocasting. [1] ……………………………………… 14

Figura 2.2. Evolución microestructural. ………………………………………………………. 15

Figura 2.3. Métodos de obtención de estructuras no dendríticas por agitación del líquido ….. 16

Figura 2.4. Máquina de inyección SLC. ……………………………………………… 17

Figura 2.5. Microestructura de un componente conformado por SLC. ……………………. 17

Figura 2.6. Esquema del proceso Sub Liquidus Casting [15]. …………………………….. 18

Figura 2.7. Cámara de inyección y pistón. ………………………………………………. 18

Tabla 3.1. Designación de los tratamientos térmicos. The Aluminium Association. [25] …… 20

Figura 3.1. Etapas del endurecimiento por precipitación. ……………………………… 21

Figura 3.2. Colocación de los precipitados dentro de la matriz. ……………………… 21

Figura 3.3. Esquema con las etapas del tratamiento térmico T6. [24] ……………………… 22

Figura 3.4. Etapas de la microestructura en el envejecimiento. [26] ……………………… 25

Figura 3.5. Esquema de las etapas del tratamiento térmico T5. [24] ……………………... 25

Figura.4.1. Curva Carga- Desplazamiento. ………………………………………………. 27

Figura.4.2.Curva Tensión- Deformación. ………………………………………………. 28

Figura 5.1. Platinas de moto conformadas por SLC. ………………………………………. 29

Figura 5.2. Localización de las muestras. ……………………………………………….. 30

Figura 5.3. Muestra totalmente preparada. ……………………………………………….. 30

Tabla 5.1. Relación de muestras en la puesta en solución. ……………………………… 32

Tabla 5.2. Relación de muestras en el envejecimiento. ……………………………………… 32

Figura 5.4. Zonas de extracción de las probetas de tracción. ……………………………… 33

Figura 5.5. Forma de la probeta antes de mecanizar. ………………………………………. 33

Figura 5.6. Dimensiones de la probeta de tracción. ……………………………………….. 33

54

Figura 5.7. Horno de tratamientos térmicos Hobersal. ………………………………………… 34

Figura 5.8. Estufa de tratamientos térmicos. ………………………………………………… 34

Figura 5.9. Durómetro universal marca Metrocom. ………………………………………… 35

Figura 5.10. Maquina de tracción marca Zwick, modelo Z100. ………………………………… 37

Tabla 6.3. Durezas Estado de colada de la pieza Y44. …………………………………………. 37

Tabla 6.4. Durezas Estado de colada de la pieza Y45. ………………………………………….. 37

Tabla 6.5. Durezas Estado de colada de la pieza Y46. ………………………………………….. 37

Tabla 6.6. Durezas Puesta en Solución a 540º C durante 4 horas. ………………………… 38




Tabla 6.10. Durezas Puesta en Solución a 540º C durante 4 horas y envejecimiento a 160º C. …… 39

Tabla 6.11. Durezas Puesta en Solución a 540º C durante 4 horas y envejecimiento a 170º C. ….... 39


Figura 6.1. Gráfica Dureza- tiempo para una Puesta en Solución a 540º C durante 4 horas

y envejecimiento posterior. ………………………………………………………….... 40

Tabla 6.14. Durezas Puesta en Solución a 540º C durante 5 horas y envejecimiento a 170º C.…… 41


Tabla 6.15. Durezas Puesta en Solución a 540º C durante 5 horas y envejecimiento a 180º C.…….. 41


y envejecimiento posterior. …………………………………………………………… 42

Tabla 6.16. Durezas Puesta en Solución a 545º C durante 4 horas y envejecimiento a 160º C.……. 43






55





Tabla 6.22. Durezas envejecimiento a 160º C. …………………………………………………… 47

Tabla 6.23. Durezas envejecimiento a 170 º C. …………………………………………………… 47

Figura 6.5. Gráfica Dureza- tiempo envejecimiento a 160º C y 170º C. ………………………… 48

Tabla 6.24. Valores de los parámetros obtenidos en estado de colada. …………………………. 49

Tabla 6.25. Valores de los parámetros obtenidos con tratamiento térmico T5. ………………… 49

Tabla 6.25. Valores de los parámetros obtenidos con tratamiento térmico T6. ………………… 49

Figura 6.6. Diagrama Tensión – Deformación para muestras en estado de colada

y con tratamiento térmico T5 y T6. …………………………………………………… 50

56

11. Bibliografía

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[24]. www.alu-stock.es/tecnica/tratamientos.html (3-4-2007)

[25]. ANSI, “Alloy and Temper Designation Systems for Aluminium, Aluminium

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[26]. alumnat.upv.es/pla/visfit/4957/AAAGNXAAXAAAD5RACu/unidad15.pdf (20-5-

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[27]. http://www.mty.itesm.mx/dia/deptos/im/m00-862/Lecturas/LP1M2.pdf ( 20-5-2007)

[28]. http://www.tecnun.es/asignaturas/Materiales1/docu/tema4.pdf (22-6-2007)

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[B]. www.matweb.com. (20-3-2007)

[C]. UNE-EN-1002-1 “Materiales metálicos, ensayos de tracción parte 1: Método de

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[D]. http://www.cdaltec.com/cdalcat/home.htm (12-3-2007)

[E]. UNE-EN ISO 6506-1 “Materiales metálicos, Ensayo de dureza Brinell parte 1:

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[F]. Menargues Muñoz, Sergi, “Simulación del Proceso de Conformación de una Rótula

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https://upcommons.upc.edu/pfc/bitstream/2099.1/3181/1/40884-1.pdf (3-4-2007)

[G]. Campillo Betbesé, Manel, “Simulación de procesos para la obtención de pistones

mediante la conformación en estado semisólido: SLC y NRC”. Proyecto Final de

Carrera. (2005) https://upcommons.upc.edu/pfc/bitstream/2099.1/3194/1/50097-

1.pdf (3-4-2007)

[H]. Cuadrado Lafoz, Núria, “Millores en l'avaluació de propietats mecàniques

mitjançant identació instrumentada: aspectes experimentals i simulacions per

elements finits”, Proyecto Final de Carrera. (2006)

https://upcommons.upc.edu/pfc/bitstream/2099.1/3199/1/54311-1.pdf (3-4-2007)

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